JP3250635B2 - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
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- H01L2924/35—Mechanical effects
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置、特に反復す
る熱衝撃が加えられる環境中でも長期間電気的特性が変
化しない半導体装置に関連する。
る熱衝撃が加えられる環境中でも長期間電気的特性が変
化しない半導体装置に関連する。
【０００２】
【従来の技術】図２に示すように、銅製皿状の支持電極
（2）とリード電極（3）のヘッダ部（3a）との間にダイ
オードチップ（半導体チップ）（1）を固着し、支持電
極（2）内に充填した保護樹脂（4）によりダイオードチ
ップ（1）とリード電極（3）のヘッダ（3a）側を封止し
た自動車交流発電機の出力用整流ダイオードは公知であ
る。支持電極（2）は皿状に形成された凹部（2a）を有
し、ダイオードチップ（１）は支持電極（２）の凹部
（2a）内に固着される。ダイオードチップ（1）は放熱
板（2）に対して半田（5）により固着され、リード電極
（3）のヘッダ部（3a）に対して半田（6）により固着さ
れる。リード電極（3）は、ニッケルメッキの施された
棒状の銅リードである。放熱板を兼ねる支持電極（2）
は銅を主成分とする金属にニッケルメッキを施した金属
板から構成されている。リード電極（3）のヘッダ部（3
a）側及びダイオードチップ（1）は支持電極（2）内に
充填されたシリコン樹脂から成る保護樹脂（4）によっ
て被覆される。
（2）とリード電極（3）のヘッダ部（3a）との間にダイ
オードチップ（半導体チップ）（1）を固着し、支持電
極（2）内に充填した保護樹脂（4）によりダイオードチ
ップ（1）とリード電極（3）のヘッダ（3a）側を封止し
た自動車交流発電機の出力用整流ダイオードは公知であ
る。支持電極（2）は皿状に形成された凹部（2a）を有
し、ダイオードチップ（１）は支持電極（２）の凹部
（2a）内に固着される。ダイオードチップ（1）は放熱
板（2）に対して半田（5）により固着され、リード電極
（3）のヘッダ部（3a）に対して半田（6）により固着さ
れる。リード電極（3）は、ニッケルメッキの施された
棒状の銅リードである。放熱板を兼ねる支持電極（2）
は銅を主成分とする金属にニッケルメッキを施した金属
板から構成されている。リード電極（3）のヘッダ部（3
a）側及びダイオードチップ（1）は支持電極（2）内に
充填されたシリコン樹脂から成る保護樹脂（4）によっ
て被覆される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、熱衝撃が多
数回反復して加わる厳しい環境の下で図２の出力用整流
ダイオードを使用すると、ダイオードチップ（1）の電
気的特性が低下することが判明した。これは、ヒートサ
イクルが反復して出力用整流ダイオードに加えられる
と、ダイオードチップ（1）と支持電極（2）との線膨張
係数差により、ダイオードチップ（1）に大きな機械的
な熱応力が加わるためと考えられる。
数回反復して加わる厳しい環境の下で図２の出力用整流
ダイオードを使用すると、ダイオードチップ（1）の電
気的特性が低下することが判明した。これは、ヒートサ
イクルが反復して出力用整流ダイオードに加えられる
と、ダイオードチップ（1）と支持電極（2）との線膨張
係数差により、ダイオードチップ（1）に大きな機械的
な熱応力が加わるためと考えられる。
【０００４】例えば特公平３−２２７０６号公報に示さ
れるように、ダイオードチップ（1）と支持電極（2）と
の中間の線膨張係数を有する金属部材をダイオードチッ
プ（1）と支持電極（2）との間に介在させて、ダイオー
ドチップ（1）への熱応力を緩和する半導体装置は公知
である。ダイオードチップ（1）と支持電極（2）との中
間の線膨張係数を有する金属部材は、銅−インバー−銅
の三層構造を備え、銅−インバー−銅の各厚みはほぼ等
しい。しかしながら、前記金属部材を設ける耐熱応力構
造でも電気的特性の低下が見られた。
れるように、ダイオードチップ（1）と支持電極（2）と
の中間の線膨張係数を有する金属部材をダイオードチッ
プ（1）と支持電極（2）との間に介在させて、ダイオー
ドチップ（1）への熱応力を緩和する半導体装置は公知
である。ダイオードチップ（1）と支持電極（2）との中
間の線膨張係数を有する金属部材は、銅−インバー−銅
の三層構造を備え、銅−インバー−銅の各厚みはほぼ等
しい。しかしながら、前記金属部材を設ける耐熱応力構
造でも電気的特性の低下が見られた。
【０００５】そこで、本発明は熱衝撃が多数回反復して
加わる厳しい環境でも電気的特性が長期間低下しない半
導体装置を提供することを目的とする。
加わる厳しい環境でも電気的特性が長期間低下しない半
導体装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
は、銅を主成分とする金属により形成されかつ凹部を有
する支持電極と、リード電極と、支持電極の凹部の底部
とリード電極との間に接続された半導体チップとを備え
ている。支持電極の凹部と半導体チップとの間に銅−鉄
合金−銅の三層構造を有する金属積層部材が固着され
る。金属積層部材の一方の主面は第１の半田層によって
支持電極に固着され、金属積層部材の他方の主面は第２
の半田層によって半導体チップに固着される。鉄合金は
３２〜４２％Ｎｉ−残部Ｆｅ又は２８〜３０％Ｎｉ−５
４％Ｆｅ−残部Ｃｏからなる。この半導体装置の金属積
層部材の線膨張係数は支持電極の線膨張係数と半導体チ
ップの線膨張係数との間の値であり且つ半導体チップの
線膨張係数に近い。第１の半田層の厚みは第２の半田層
の厚みよりも大きく、且つ鉄合金の厚みは隣接する１つ
の銅層の厚みの１.５〜３倍である。
は、銅を主成分とする金属により形成されかつ凹部を有
する支持電極と、リード電極と、支持電極の凹部の底部
とリード電極との間に接続された半導体チップとを備え
ている。支持電極の凹部と半導体チップとの間に銅−鉄
合金−銅の三層構造を有する金属積層部材が固着され
る。金属積層部材の一方の主面は第１の半田層によって
支持電極に固着され、金属積層部材の他方の主面は第２
の半田層によって半導体チップに固着される。鉄合金は
３２〜４２％Ｎｉ−残部Ｆｅ又は２８〜３０％Ｎｉ−５
４％Ｆｅ−残部Ｃｏからなる。この半導体装置の金属積
層部材の線膨張係数は支持電極の線膨張係数と半導体チ
ップの線膨張係数との間の値であり且つ半導体チップの
線膨張係数に近い。第１の半田層の厚みは第２の半田層
の厚みよりも大きく、且つ鉄合金の厚みは隣接する１つ
の銅層の厚みの１.５〜３倍である。
【０００７】
【作用】金属積層部材の線膨張係数は、支持電極の線膨
張係数と半導体チップの線膨張係数の間で且つ半導体チ
ップの線膨張係数に近いので、半導体チップに加わる機
械的応力を十分に緩和してチップ割れ及び半導体チップ
の特性劣化を防止することができる。また、金属積層部
材を支持電極に固着する第１の半田層の厚みが金属積層
部材と半導体チップの間に介在する第２の半田層の厚み
よりも大きいので、半導体チップの線膨張係数に近い線
膨張係数の金属積層部材と支持電極との間の線膨張係数
差に起因して発生する応力を十分に緩和できるから、第
１の半田層にクラックが生じない。
張係数と半導体チップの線膨張係数の間で且つ半導体チ
ップの線膨張係数に近いので、半導体チップに加わる機
械的応力を十分に緩和してチップ割れ及び半導体チップ
の特性劣化を防止することができる。また、金属積層部
材を支持電極に固着する第１の半田層の厚みが金属積層
部材と半導体チップの間に介在する第２の半田層の厚み
よりも大きいので、半導体チップの線膨張係数に近い線
膨張係数の金属積層部材と支持電極との間の線膨張係数
差に起因して発生する応力を十分に緩和できるから、第
１の半田層にクラックが生じない。
【０００８】
【実施例】以下、自動車交流発電機の出力整流ダイオー
ドに適用した本発明による半導体装置の実施例を図１に
ついて説明する。図１では図２に示す箇所と同一の部分
には同一の符号を付し、説明を省略する。
ドに適用した本発明による半導体装置の実施例を図１に
ついて説明する。図１では図２に示す箇所と同一の部分
には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０００９】支持電極（2）の凹部（2a）とダイオード
チップ（1）との間に金属積層部材（7）が配置される。
金属積層部材（7）は第１の銅層（10）、第２の銅層（1
1）及び２つの銅層（10）（11）の間に配置されたイン
バー（9）を有する。インバー（9）は３６％Ｎｉ−Ｆｅ
から成る合金で、１.５×１０~6／℃の線膨張係数を有
する。インバーは３６％Ｎｉ−Ｆｅの組成を有するが、
本発明では、３２〜４２％Ｎｉ−残部Ｆｅの範囲で実施
可能である。金属積層部材（7）の一方の主面は第１の
半田層（8）によって支持電極（2）に固着され、金属積
層部材（7）の他方の主面は第２の半田層（12）によっ
てダイオードチップ（1）に固着されている。金属積層
部材（7）の線膨張係数は支持電極（2）の線膨張係数と
ダイオードチップ（1）の線膨張係数との間の値を有す
る。第１の半田層（8）の厚みは第２の半田層（12）の
厚みよりも大きく、インバー（9）の厚みは２つの銅層
（10）（11）の各々の厚みよりも大きい。金属積層部材
（7）の線膨張係数はダイオードチップ（1）の線膨張係
数に近い。
チップ（1）との間に金属積層部材（7）が配置される。
金属積層部材（7）は第１の銅層（10）、第２の銅層（1
1）及び２つの銅層（10）（11）の間に配置されたイン
バー（9）を有する。インバー（9）は３６％Ｎｉ−Ｆｅ
から成る合金で、１.５×１０~6／℃の線膨張係数を有
する。インバーは３６％Ｎｉ−Ｆｅの組成を有するが、
本発明では、３２〜４２％Ｎｉ−残部Ｆｅの範囲で実施
可能である。金属積層部材（7）の一方の主面は第１の
半田層（8）によって支持電極（2）に固着され、金属積
層部材（7）の他方の主面は第２の半田層（12）によっ
てダイオードチップ（1）に固着されている。金属積層
部材（7）の線膨張係数は支持電極（2）の線膨張係数と
ダイオードチップ（1）の線膨張係数との間の値を有す
る。第１の半田層（8）の厚みは第２の半田層（12）の
厚みよりも大きく、インバー（9）の厚みは２つの銅層
（10）（11）の各々の厚みよりも大きい。金属積層部材
（7）の線膨張係数はダイオードチップ（1）の線膨張係
数に近い。
【００１０】図１に示す実施例では、金属積層部材
（7）のインバー（9）は、銅より線膨張係数が小さい。
第１の銅層（10）、インバー（9）及び第２の銅層（1
1）の厚み比は１：２：１で、金属積層部材（7）の厚み
は約２００μｍであるから、第１の銅層（10）、インバ
ー（9）及び第２の銅層（11）の厚みは、５０μｍ、１
００μｍ及び５０μｍである。
（7）のインバー（9）は、銅より線膨張係数が小さい。
第１の銅層（10）、インバー（9）及び第２の銅層（1
1）の厚み比は１：２：１で、金属積層部材（7）の厚み
は約２００μｍであるから、第１の銅層（10）、インバ
ー（9）及び第２の銅層（11）の厚みは、５０μｍ、１
００μｍ及び５０μｍである。
【００１１】第１の半田層（8）は平均粒径約５０μｍ
のニッケル粒（13）を含有する。粉末状のニッケル粒
（13）を混合すると、第１の半田層（8）は約７０μｍ
の厚みを確保できる。ニッケル粒（13）を含有させない
と、第１の半田層（8）を安定して厚く形成することが
困難である。各部の線膨張係数はそれぞれ支持電極
（2）（銅）：１６.８×１０~6、ダイオードチップ
（1）：４.２×１０~6、金属積層部材（7）（Ｃu−イン
バー−Ｃu＝１：２：１）：９.６３×１０~6／℃であ
る。
のニッケル粒（13）を含有する。粉末状のニッケル粒
（13）を混合すると、第１の半田層（8）は約７０μｍ
の厚みを確保できる。ニッケル粒（13）を含有させない
と、第１の半田層（8）を安定して厚く形成することが
困難である。各部の線膨張係数はそれぞれ支持電極
（2）（銅）：１６.８×１０~6、ダイオードチップ
（1）：４.２×１０~6、金属積層部材（7）（Ｃu−イン
バー−Ｃu＝１：２：１）：９.６３×１０~6／℃であ
る。
【００１２】金属積層部材（7）の第１の銅層（10）と
シリコンダイオードチップ（1）とを固着する第２の半
田層（12）は、ニッケル粒を含有せず、第１の半田層
（8）よりも薄い約５０μｍの厚さで形成される。ダイ
オードチップ（1）とリード電極（3）のヘッダ部（3a）
とを固着する半田層（6）の厚みは約１５０μｍであ
る。第２の半田層（12）にニッケル粒（13）より小さい
径のニッケル粒を含有させてもよい。但し、その厚みは
第１の半田層（8）の厚みより小さい。また、半田層
（6）にもニッケル粒を含有させてもよい。
シリコンダイオードチップ（1）とを固着する第２の半
田層（12）は、ニッケル粒を含有せず、第１の半田層
（8）よりも薄い約５０μｍの厚さで形成される。ダイ
オードチップ（1）とリード電極（3）のヘッダ部（3a）
とを固着する半田層（6）の厚みは約１５０μｍであ
る。第２の半田層（12）にニッケル粒（13）より小さい
径のニッケル粒を含有させてもよい。但し、その厚みは
第１の半田層（8）の厚みより小さい。また、半田層
（6）にもニッケル粒を含有させてもよい。
【００１３】金属積層部材（7）の線膨張係数は、支持
電極（2）の線膨張係数とダイオードチップ（1）の線膨
張係数の間で且つ支持電極（2）の線膨張係数よりもダ
イオードチップ（1）の線膨張係数に近い約９.６３×１
０~6／℃の線膨張係数を有するので、ダイオードチップ
（1）に加わる機械的応力を十分に緩和してダイオード
チップ（1）の電気的特性の劣化を防止できる。また、
金属積層部材（7）を支持電極（2）に固着する第１の半
田層（8）の厚みが金属積層部材（7）とダイオードチッ
プ（1）の間に介在する第２の半田層（12）の厚みより
も大きいので、ダイオードチップ（1）の線膨張係数に
近い線膨張係数の金属積層部材（7）と支持電極（2）と
の間の線膨張係数差に起因して発生する応力が十分に緩
和されるから、第１の半田層（8）にクラックが生じな
い。このため、熱伝導性が低下したり、電気抵抗が増加
しない。
電極（2）の線膨張係数とダイオードチップ（1）の線膨
張係数の間で且つ支持電極（2）の線膨張係数よりもダ
イオードチップ（1）の線膨張係数に近い約９.６３×１
０~6／℃の線膨張係数を有するので、ダイオードチップ
（1）に加わる機械的応力を十分に緩和してダイオード
チップ（1）の電気的特性の劣化を防止できる。また、
金属積層部材（7）を支持電極（2）に固着する第１の半
田層（8）の厚みが金属積層部材（7）とダイオードチッ
プ（1）の間に介在する第２の半田層（12）の厚みより
も大きいので、ダイオードチップ（1）の線膨張係数に
近い線膨張係数の金属積層部材（7）と支持電極（2）と
の間の線膨張係数差に起因して発生する応力が十分に緩
和されるから、第１の半田層（8）にクラックが生じな
い。このため、熱伝導性が低下したり、電気抵抗が増加
しない。
【００１４】本発明の実施態様は前記の実施例に限定さ
れず、変更が可能である。例えば、第１の半田層の厚み
を安定して確保できるように、金属粒の粒径を４０〜１
００μｍの範囲にするのが望ましい。インバーの代わり
に、５.１×１０~6の線膨張係数を有するコバール（Ｆ
ｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ）又は５４％Ｆｅ−２８〜
３０％Ｎｉ−残部Ｃｏ合金を使用してもよい。インバー
は両側の銅層に対して１.５〜３倍の厚さを有してもよ
い。金属粒はニッケル以外、例えば、銅でもよい。第１
の半田層（8）の厚みは、金属積層部材（7）の厚みの１
／３以上、１以下で、５０〜１００μｍの範囲に設定す
るのがよい。
れず、変更が可能である。例えば、第１の半田層の厚み
を安定して確保できるように、金属粒の粒径を４０〜１
００μｍの範囲にするのが望ましい。インバーの代わり
に、５.１×１０~6の線膨張係数を有するコバール（Ｆ
ｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ）又は５４％Ｆｅ−２８〜
３０％Ｎｉ−残部Ｃｏ合金を使用してもよい。インバー
は両側の銅層に対して１.５〜３倍の厚さを有してもよ
い。金属粒はニッケル以外、例えば、銅でもよい。第１
の半田層（8）の厚みは、金属積層部材（7）の厚みの１
／３以上、１以下で、５０〜１００μｍの範囲に設定す
るのがよい。
【００１５】また、第１の半田層（8）と第２の半田層
（12）との厚み比は、支持電極（2）と金属積層部材
（7）の線膨張係数差と、金属積層部材（7）とダイオー
ドチップ（1）の線膨張係数差との比に近似させて設定
することが望ましい。即ち、半導体チップ（1）、金属
積層部材（7）及び支持電極（2）の線膨張係数はそれぞ
れ４.２×１０~6、９.６３×１０~6、１６.８×１０~6
であり、支持電極（2）と金属積層部材（7）の線膨張係
数差７.２×１０~6と、金属積層部材（7）とダイオード
チップ（1）の線膨張係数差５.４×１０~6との比率にほ
ぼ合致して、第１の半田層（8）と第２の半田層（12）
の厚み比は、７：５に設定することが望ましい。
（12）との厚み比は、支持電極（2）と金属積層部材
（7）の線膨張係数差と、金属積層部材（7）とダイオー
ドチップ（1）の線膨張係数差との比に近似させて設定
することが望ましい。即ち、半導体チップ（1）、金属
積層部材（7）及び支持電極（2）の線膨張係数はそれぞ
れ４.２×１０~6、９.６３×１０~6、１６.８×１０~6
であり、支持電極（2）と金属積層部材（7）の線膨張係
数差７.２×１０~6と、金属積層部材（7）とダイオード
チップ（1）の線膨張係数差５.４×１０~6との比率にほ
ぼ合致して、第１の半田層（8）と第２の半田層（12）
の厚み比は、７：５に設定することが望ましい。
【００１６】支持電極（2）の底面の３カ所以上に突起
を設けて、第１の半田層（8）の厚みをかせぐようにし
てもよい。図１ではダイオードチップ（1）と支持電極
（2）との間に金属積層部材（7）を固着する例を示した
が、半導体チップとリード電極（3）のヘッダ部（3a）
との間にも金属積層部材（7）を固着してもよい。
を設けて、第１の半田層（8）の厚みをかせぐようにし
てもよい。図１ではダイオードチップ（1）と支持電極
（2）との間に金属積層部材（7）を固着する例を示した
が、半導体チップとリード電極（3）のヘッダ部（3a）
との間にも金属積層部材（7）を固着してもよい。
【００１７】
【発明の効果】本発明では、反復してヒートサイクルが
加えられる厳しい環境でも電気的特性が長期間低下しな
い信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
加えられる厳しい環境でも電気的特性が長期間低下しな
い信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【図１】 自動車交流発電機の出力整流ダイオードに適
用した本発明による半導体装置の実施例を示す断面図
用した本発明による半導体装置の実施例を示す断面図
【図２】 従来の出力整流ダイオードの断面図
（1）・・・ダイオードチップ（半導体チップ）、（2）
・・・支持電極、（2a）・・・凹部、（3）・・・リー
ド電極、（7）・・・金属積層部材、（8）・・・第１の
半田層、（9）・・・インバー、（10）・・第１の銅
層、（11）・・・第２の銅層、（12）・・・第２の半田
層、
・・・支持電極、（2a）・・・凹部、（3）・・・リー
ド電極、（7）・・・金属積層部材、（8）・・・第１の
半田層、（9）・・・インバー、（10）・・第１の銅
層、（11）・・・第２の銅層、（12）・・・第２の半田
層、
Claims (1)
- 【請求項１】 銅を主成分とする金属により形成されか
つ凹部を有する支持電極と、リード電極と、前記支持電
極の凹部の底部と前記リード電極との間に接続された半
導体チップとを備え、前記支持電極の凹部と前記半導体
チップとの間に銅−鉄合金−銅の三層構造を有する金属
積層部材が固着され、前記金属積層部材の一方の主面は
第１の半田層によって前記支持電極に固着され、前記金
属積層部材の他方の主面は第２の半田層によって前記半
導体チップに固着された半導体装置において、 前記鉄合金は３２〜４２％Ｎｉ−残部Ｆｅ又は２８〜３
０％Ｎｉ−５４％Ｆｅ−残部Ｃｏから成り、 前記金属積層部材の線膨張係数は前記支持電極の線膨張
係数と前記半導体チップの線膨張係数との間の値であり
且つ前記半導体チップの線膨張係数に近く、 前記第１の半田層の厚みは前記第２の半田層の厚みより
も大きく且つ鉄合金の厚みは隣接する１つの銅層の厚み
の１.５〜３倍であることを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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